合成されたバイオサーファクタントの有望な腐食防止剤および代替抗菌剤および抗皮膚糸状菌剤としての評価

May 10, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2585 (2023) この記事を引用

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この研究では、N-ドデシルアスパラギンナトリウム（AS）、N-ドデシルトリプトファンナトリウム（TS）、N-ドデシルヒスチジンナトリウム（HS）など、バイオ界面活性剤としても知られるさまざまなアミノ酸系界面活性剤（AAS）の潜在的な防食効果を調査しました。、抗菌性、抗皮膚糸状菌特性。化学的および電気化学的手法を使用して、298 K の H2SO4 (1.0 M) 溶液中での銅の腐食抑制効果を調べました。結果は、バイオサーファクタントの構造と濃度、および濃度によって変化する、有望な腐食抑制効率 (% IE) を示しました。腐食性媒体の。より高い % IE 値は、銅表面への界面活性剤の吸着と保護膜の生成に起因すると考えられます。吸着はラングミュア吸着等温線と一致した。銅の腐食の速度論とメカニズム、および調査した AAS によるその抑制が解明されました。界面活性剤は、陽極優先度が低い混合種類の抑制剤として作用しました。試験した界面活性剤の５００ｐｐｍでの重量減少技術から得られた％ＩＥの値は、ＡＳ、ＨＳおよびＴＳについてそれぞれ８１、８３および８８に設定された。適用されたすべての技術から取得された % IE の値はほぼ一貫しており、TS > HS ≥ AS の順序で増加し、この研究の妥当性が確立されました。これらの界面活性剤は、病原性グラム陰性菌およびグラム陽性菌および皮膚糸状菌に対して強力な広域スペクトル活性も示しました。 HS が最も高い抗菌活性を示し、次に TS、AS が続きました。病原性細菌の感受性は、試験した AAS に対して異なりました。赤癬菌とマンチグロファイト白癬菌が最も感受性の高い病原体であることが判明した。 HS は、それぞれ直径 70、50、40、39、および 35 mm のクリアゾーンの形成を通じて、赤虫赤血球、セレウス菌、大腸菌、肺炎桿菌、および黄色ブドウ球菌に対して最も高い抗菌活性を示しました。 AAS は、試験したすべての皮膚糸状菌および真菌に対して強力な抗真菌活性も示しました。 HS は、マンチグロファイト白癬菌、ルブルム白癬菌、カンジダアルビカンス、カタネウムトリコスポロン、およびクリプトコッカスネオフォルマンスに対して、それぞれ直径 62、57、56、48、および 36 mm の阻害ゾーンを引き起こしました。 AAS の最小致死濃度は 16 ～ 128 μg/ml の範囲でした。 HS は試験した病原体に対して最も低い値 (16 μg/ml) を示し、次に TS (64 μg/ml)、AS (128 μg/ml) が続きました。したがって、AAS、特に HS は、食品由来の病原性細菌や皮膚感染症に関連する皮膚糸状菌に対する効果的な代替抗菌剤として機能する可能性があります。

自然なプロセスである金属腐食は、金属の構造、強度、外観の劣化であり、世界経済に多大な損失をもたらします1、2、3、4、5、6。金属表面の保護には腐食防止剤が使用されます7、8、9。これらは、特定の官能基、芳香環および/または複素環、平面共役構造、およびヘテロ原子を含む特別な化合物です。これらの特徴は、金属表面への吸着をサポートし、阻害剤の効率も決定します10、11、12。界面活性剤は、界面および表面に影響を与える特性のため、さまざまな重要な産業用途で広く使用されています13、14、15、16、17。界面活性剤の臨界ミセル濃度値が低いと、界面活性剤の表面への移動と吸着が促進され、金属表面の腐食が抑制されます 18,19。このため、金属材料を腐食から保護するための腐食防止剤として、多数の界面活性剤が使用されてきました20、21、22、23、24。油脂化学源からの天然アミノ酸および脂肪酸、またはそれらの誘導体を濃縮して、生分解性および生体適合性のあるアミノ酸ベースの界面活性剤 (AAS) を調製します14、15、16。 AAS は毒性が低く、乳化特性があり、表面活性が優れているため、食品用途が可能です 25、26、27。従来の界面活性剤と比較して、AAS は抗真菌性、抗菌性、界面活性性、環境に優しい特性が優れているため、研究者は新規の界面活性剤を探す必要があります 14、15、16。いくつかの AAS は、中性およびアルカリ性水性媒体中での炭素鋼腐食 14、HCl 中での中性溶液中での軟鋼腐食 15、さまざまな媒体中でのサビ鉄腐食 17 など、金属表面の抑制について以前に研究されています。

不法な抗生物質の使用に反応して薬剤耐性微生物が大幅に増加しているため、病原体に対する安定性と効率がより優れた新規抗菌剤の開発が求められています。抗生物質への耐性は、薬代の増加、死亡率、入院期間の長期化につながります。したがって、それは世界の健康と食糧安全保障に対する主要な懸念事項として浮上しています。抗生物質の効果の低下により、結核、食中毒、淋病、肺炎、敗血症などのさまざまな病気の治療が複雑になっています28、29、30、31、32。合成アミノ酸ベースの界面活性剤の急速な生分解性、低毒性、および優れた界面活性特性は、従来の抗菌剤の効果的な代替品としてのその有望な役割を強調しています。また、食品、化粧品、医薬品、リポソーム形成、およびドラッグデリバリー用途において、乳化剤、柔軟剤、湿潤剤、洗剤、トランスフェクションベクターとして広く使用されています。移植、手術、がん治療などの医療介入における AAS の有用性も検討されています 33,34。構造的には、AAS は天然のリポペプチドの類似体であり、疎水性部分に結合した 1 つまたは 2 つのアミノ酸からなるカチオン性両親媒性物質です。したがって、それらは耐性を発現しにくく、微生物に対して同様のメカニズムを備えています34、35、36。抗生物質耐性は、黄色ブドウ球菌、淋菌、結核菌、エンテロコッカス・フェシウム、肺炎桿菌、赤癬菌、アシネトバクター・バウマニ、サルモネラ菌、緑膿菌を含む多くの細菌性病原体で報告されています29、32、33、34、37。新しい抗菌剤の発見と開発は、真菌や細菌の薬剤耐性の増加に対抗するための必須条件となっています。

上記の議論に基づいて、この研究では、さまざまな産業用途の戦略的金属である銅について、3 つの合成 AAS (以下に示す構造) の腐食抑制効率を初めて評価しました。この研究では、銅のスケール除去、酸洗い、および洗浄に広く使用されている強力な酸性媒体 (H2SO4 溶液) が使用されました。研究中には、重量損失 (WL)、動電位分極 (PDP)、電気化学インピーダンス分光法 (EIS) などのさまざまな技術が適用されました。この研究では、銅の腐食の速度論とメカニズム、および AAS によるその抑制についてさらに詳しく説明されました。試験した界面活性剤の抗菌および抗真菌活性も分析しました。

研究では分析グレードの化学薬品を使用し、試薬の溶液は主な腐食媒体として選択された dd H2O・H2SO4 (1.0 M) 溶液で調製されました。界面活性剤は Fawzy et al.14 に従って調製され、使用濃度は 100 ～ 500 ppm (mg/l) の範囲でした。腐食試験には、Fe (0.030%)、Pb (0.021%)、Ni (0.011%)、Si (0.005%) などの他の金属を含む銅試験片 (Merck) を使用しました。実験は再現性をテストするために停滞培地と通気培地で 3 回行い、後者を調べるために、得られた結果の標準偏差 (SD) の値も計算しました。

研究中は、重量損失 (WL)、動電位分極 (PDP)、および電気化学インピーダンス分光法 (EIS) 技術が追跡されました。銅試験片の表面は、実験前にさまざまなグレードの紙やすり (1500 まで) で研磨し、アセトンで脱脂し、dd H2O で洗浄し、風乾しました。 WL 法では寸法 3.6 × 1.4 × 0.2 cm2 の銅シートが使用されましたが、PDP および EIS 技術ではアラルダイトに囲まれた円柱形のロッド (1.0 cm2) が使用されました。

WL 分析中、準備した銅シートを 100 ml の腐食性溶液 (1.0 M H2SO4) に、さまざまな濃度の AAS の存在下で、4 時間ごとの一定の時間間隔で挿入しました。次に、銅シートを脱脂、洗浄、風乾し、重量を量って平均重量損失 (mg/cm2) を評価しました。 PDP および EIS 測定の場合、銅電極は以前に報告されているように準備され 38、39、40 、開回路電位 (OCP) で検査対象の媒体を含むセルに浸漬されました。サーモスタット付き PGSTAT30 ポテンショスタット/ガルバノスタットを使用して、電気化学測定を記録しました。セルには、銅試験片の作用電極、白金シートの対電極、およびカロメルの参照電極が含まれていました。 EIS 研究では、100 kHz ～ 0.1 Hz の周波数範囲と 5.0 mV (ピークツーピーク) の振幅が設定され、OCP で AC 信号が利用されました。

AAS の抗菌活性を測定するために、グラム陽性菌として黄色ブドウ球菌 (ATCC25923) およびセレウス菌 (ATCC11778) を使用し、一方、大腸菌 (ATCC25922)、肺炎桿菌 (ATCC 番号 700603)、および赤癬菌 (DSM103303) を使用しました。グラム陰性細菌の指標として使用されました。また、AAS は、マンチグロファイト白癬菌（ATCC 番号 18748）、ルブルム白癬（ATCC 番号 28188）、トリコスポロンカタネウム ATCC 番号 28592、クリプトコッカスネオフォルマンス（ATCC 番号 208821）、カンジダアルビカンスなどの皮膚感染症関連皮膚糸状菌に対しても評価されました。 (ATCC No.90028)。すべての細菌株は、エジプトのファイユーム大学農学部農業微生物学部の細菌培養コレクションから入手しました。すべての真菌分離株は、エジプトのアシュート大学の真菌センターから入手しました。細菌のストック培養物はミュラーヒントン寒天プレート上で 4 °C に維持されましたが、カビと真菌はポテトデキストロース寒天プレート上で継代培養され、4 °C に維持されました。

試験した界面活性剤の抗菌能力を評価するために、寒天ウェル拡散法が採用されました 41,42。簡単に説明すると、ミュラーヒントン寒天培地とポテトデキストロース寒天を調製し、121 °C でオートクレーブ処理し、50 °C で冷却し、滅菌ペトリ皿に注ぎ、室温で固化させました。続いて、ミュラー・ヒントン寒天プレートを新鮮な細菌培養物で拭き取り、新鮮な真菌培養物をＰＤＡプレート上で拭き取った。滅菌済みコルクボーラーを使用して、寒天プレートの中央にウェル (9 mm) を作成しました。 AAS ストック溶液 (1 mg/ml) を調製し、100 μg の各 AAS をウェル内に配置しました。細菌性病原体、カンジダアルビカンス酵母、およびクリプトコッカス属を含むプレート。それぞれ 30 °C で 24 ～ 48 時間インキュベートしました。残りの真菌病原体のインキュベーションは、28 °C で 48 ～ 72 時間実行されました。各ウェルの周囲の阻害ゾーンの直径 (mm) を測定して、AAS の抗菌活性を評価しました。フルコナゾール、ナイスタチン (マイコサット)、およびシクロピロックス (バトラフェン) (100 μg/ml) を抗真菌標準として使用し、水処理を対照として使用しました。細菌阻害 (mm) ゾーンは寒天ディスク拡散法に従って測定され、抗生物質標準 (グラム陰性菌および陽性菌に対して使用される) と比較されました 43。

希釈法に従って、AAS の最小致死濃度 (MLC) を決定しました 44。カンジダ・アルビカンスおよび細菌の MLC を測定するために、2 倍連続濃度の AAS を、それぞれポテトデキストロースブロス培地 (PD) または LB (4 ml) が入ったチューブにピペットで移しました。 1 × 106 細胞/ml-1 を含む各標準細菌懸濁液からの 0.5 マクファーランド培地 0.4 ml を各チューブに接種しました。真菌病原体の MLC を測定するために、2 倍連続濃度の AAS を PD ブロス (4 ml) の入ったチューブにピペットで移し、1 × 106 胞子/ml-1 を各チューブに接種しました 41,42。チューブの培養は、各微生物に最適な温度と時間間隔で実行されました。インキュベーション後、各チューブの0.1 ml溶液をミューラーヒントン寒天プレートまたはPDAプレート上で継代培養し、それぞれの最適温度および時間間隔で再度インキュベートしました。元の接種材料 1 × 106 細胞/ml と比較して生菌数が 0.1% しか生じない最低 AAS 濃度を最小致死濃度 (MLC) とみなしました。

試験した界面活性剤 (AS、HS、TS) の腐食抑制効率 (% IE) に対する H2SO4 の影響を研究するために、固定濃度の298 K での界面活性剤 (500 mg/l) を図 1 に示します。

298 K の H2SO4 溶液中での銅腐食における、調査した界面活性剤の % IE の値に対する腐食性媒体濃度の影響。

銅の腐食速度 (CR) は、次の式を適用することにより、年間ミル侵入量 (mpy) として計算されました。 (1)45:

ここで、K は定数 (3.45 × 106)、W は WL (グラム)、A は銅板の面積 (cm2)、t は時間 (時間)、d は銅の密度を表します。

AAS の % IE と表面被覆度 (θ) は、式 1 を使用して計算されました。 (2)46:

ここで、CRinh と CR はそれぞれ、抑制剤を使用した場合と使用しない場合の腐食速度を表します。

図 1 は、H2SO4 溶液濃度が高くなると % IE の値が減少することを示しており、これは腐食性媒体濃度が低いほど界面活性剤の効率が高いことを示しています。これらの結果は、高濃度の腐食性媒体のより攻撃的な可能性によるものと考えられます。

1.0 M H2SO4 溶液中の銅シートの WL 測定は、さまざまな濃度 (100 ～ 500 mg/L) で検査した AAS を使用せずに、または使用して 298 K で実施されました。図 2 は、界面活性剤 AS と浸漬時間の WL プロットを示しています (代表例として)。表 1 は、298 K で試験した AAS の銅 CR、% IE、および θ を示しています。ここで、腐食速度の標準偏差 (SD) の値も計算されました。結果は、銅 CR が減少する一方、界面活性剤の % IE および θ の値が高濃度で増加することを明らかにしました。表 1 は、SD 値が非常に低いことも示しており、取得された結果の精度が高いことを示しています。これらの発見は、界面活性剤分子の銅表面への吸着力の強化に起因すると考えられ、濃度が高くなるほど吸着力が増大して CR 値が減少し、% IE および θs 値が増加しました。試験した界面活性剤は、H2SO4 (1.0 M) 溶液中で銅の腐食を効果的に抑制しました。図 3 に示すように、% IE の値も、TS > HS ≥ AS として、特定の AAS 濃度で増加しました。

1.0 M H2SO4 溶液中、界面活性剤 AS 存在下、298 K での銅腐食の WL 対浸漬時間のプロット。

298 K、1.0 M H2SO4 溶液中での銅腐食抑制に対する、調査した界面活性剤の濃度の影響。

AAS は、H2SO4 (1.0 M) 溶液中での銅腐食の効果的な抑制剤として登場しました。銅表面上での保護膜の形成と界面活性剤分子の吸着が、より優れた防食活性に寄与した可能性があります47、48、49、50、51。銅表面への AAS の吸着機構は、さまざまな界面活性剤濃度の θs 値をさまざまな吸着等温線 (Langmuir、Frumkin、Temkin、Freundlich) に当てはめることによってさらに詳しく調べられました。図 4 は、結果がラングミュア等温線に従い、式 4 で表されたことを示しています。 (3)52、

ここで、Kads は吸着定数を表します。線形プロットの切片を使用して、AS、HS、TS の値がそれぞれ 2.61 × 103、3.21 × 103、および 4.70 × 103 として計算されました (図 4)。

298 K、1.0 M H2SO4 溶液中の銅表面上の調査した界面活性剤の吸着に関するラングミュア吸着等温線。

腐食点の速度論を追跡して、腐食抑制機能をテストし、さまざまな材料の腐食中に見られる化学種の安定性を測定しました。銅腐食の速度論は、H2SO4 (1.0 M) 溶液と界面活性剤 HS (例として) 中で 298 K で調査されました。図 5 は、時間に対する – ln(WL) の線形プロットを示しています (一次速度定数方程式に基づく)および腐食プロセス）。これは、H2SO4 溶液中での銅腐食の速度論と HS 界面活性剤によるその抑制が負の一次過程であることを明らかにしています。このようなプロットの勾配は、一次速度定数の値 [k1 (in h−1)] を指します (表 2)。半減期 (t1/2、h) 値は次の式によって計算されました。 (4)53（表2）

1.0 M H2SO4 溶液中、界面活性剤 HS の存在下、298 K での銅腐食の一次速度定数プロット。

界面活性剤 (Cinh) 濃度に対する銅腐食抑制の次数 (n) は、式 1 を使用して計算されました。 (5)54、

ここで、k は比速度定数 (mg/cm2 h) です。

図 6 は、試験した界面活性剤の log CR 対 log Cinh の線形プロットを示しています。 n 値は、プロットの傾きから AS、HS、TS についてそれぞれ - 0.54、- 0.60、および - 0.71 と推定されました。腐食抑制プロセスのこれらの n 値は、それが抑制剤の濃度に関して負の分数一次反応であることを明らかにしました。負の n 符号と阻害剤の濃度に対する反比例の CR 値は、調査対象の界面活性剤の % IE がより優れていることを示しています 55 (図 6)。

298 K、1.0 M H2SO4 溶液中での、調べた界面活性剤による銅腐食抑制の log CR 対 log Cinh。

銅腐食の PDP 測定は、試験した界面活性剤の異なる濃度の存在下および非存在下で、298 K の 1.0 M H2SO4 溶液中で実行されました。図 7 は、1.0 M H2SO4 溶液中での銅の腐食に関連する HS 界面活性剤 (例として) の PDP 曲線 (ターフェルプロット) のみを示しています。試験した AAS のターフェルプロットから、腐食電位 (Ecorr)、腐食電流密度 (icorr)、陽極および陰極のターフェル勾配 (βa、βc)、分極抵抗 (Rp) などのさまざまな腐食パラメーター値が得られました (表 3)。 AAS の % IE の値は、式 1 を使用して計算されました。 (6) (表 3)、

ここで、icorr および icorr(inh) は、それぞれ界面活性剤の非存在下および存在下の腐食電流密度を表します。

1.0 M H2SO4 溶液中、界面活性剤 HS 存在下、298 K での銅腐食の PDP 曲線。

図 7 は、腐食性媒体に HS 界面活性剤を添加すると、抑制剤を含まない溶液中の銅 PDP 曲線の陰極および陽極のターフェル分岐が移動して、icor 値が低下したことを示しています。陰極反応と陽極反応の阻害に応じて金属の溶解が阻害されることが、この現象の主な理由である可能性があります。表 3 には腐食パラメータのリストが含まれており、異なる界面活性剤濃度を添加すると、腐食媒体 (ブランク) に記録された銅の Ecorr 値がマイナス (陽極方向に向かって) にわずかに低下することが示されています。したがって、これらの界面活性剤は、わずかに陽極優先度を持つ混合タイプの抑制剤と考えられます56,57。界面活性剤の添加後のブランク溶液では、βa および βc 値もわずかに減少しました。これは、陽極溶解の減少を示し、陰極水素発生反応を妨げます。さらに、腐食性溶液中で得られた銅の iccor 値は減少しましたが、界面活性剤濃度が高くなると、Rp と % IE の両方の値が増加しました。また、記録された icorr 値の SD 値が計算され、表 3 にリストされています。これは、SD 値が低いほど、取得された結果の精度が高いことを示しています。

銅腐食の EIS 測定は、異なる濃度の試験した界面活性剤を添加した場合と添加しない場合の 1.0 M H2SO4 溶液中で 298 K で実行されました。図 8 は、1.0 M H2SO4 溶液および界面活性剤 TS の存在下（例として）における銅腐食の EIS スペクトル（ナイキストプロット）を示しています。スペクトルからは、一時定数と単一の抑制された容量性ループが明らかになりました。これは、二重層の挙動と電荷移動プロセスが銅の腐食を管理していることを示しています58。ブランク溶液中の銅の容量性ループのサイズは、検査した界面活性剤の濃度に正比例して規則的に増加しました。この挙動は、銅の腐食速度が低下し、界面活性剤の % IE 値が増加していることを示しています。 EISスペクトルの解析は等価回路と比較することで行いました（図9）。定相要素 (CPE)、電荷移動抵抗 (Rct)、および溶液抵抗 (Rs) の値は、EIS スペクトルから得られ、表 4 にリストされています。% IE 値は、次の式 4 によって計算されました。 (7)59 (表 4)、

ここで、Rct(inh) と Rct は、それぞれ界面活性剤の非存在下と存在下での電荷移動抵抗を表します。

1.0 M H2SO4 溶液中、界面活性剤 TS の存在下、298 K での銅の腐食を表すナイキストプロット。

1.0 M H2SO4 溶液および調査した界面活性剤の存在下での銅腐食に関する EIS 出力データを最適化するための電気化学的等価回路。

EIS パラメータ値 (表 4 にリスト) は、腐食性溶液に界面活性剤を添加すると Rct 値が増加し、CPE 値が減少することを示しました。取得されたＲｃｔ値のＳＤ値が計算され、表４に列挙された。表４は、より低いＳＤ値が、取得された結果のより高い精度を意味することを示している。このデータは、銅/溶液界面での吸着を介して界面活性剤が抑制剤としての役割を果たし、その後銅表面を腐食性溶液から保護し、% IE 値を向上させることを裏付けています60、61、62。

最後に、EIS 技術から得られた研究対象の界面活性剤のゲイン % IE 値 (表 4) を、WL および PDP 技術を通じて得られたもの (表 1 および 3) と一致させました。図 10 は、界面活性剤 TS の値 (例として) を示しており、使用した測定値の妥当性を確認しています。

298 K での 1.0 M H2SO4 溶液中の界面活性剤 TS による銅腐食抑制の研究に使用されたさまざまな技術の比較。

酸性媒体中での銅の腐食は、以下の反応によって起こることが示唆されています 63:

金属銅が酸化（腐食）されてCu2+になる陽極反応、

陰極反応

さまざまなテクニックを利用して得られた結果。 WL、PDP、EIS は、調査した AAS が 1.0 M H2SO4 溶液中での銅腐食の優れた抑制剤であることが発見されたことを示しました。阻害メカニズムは次のように提案されています。テストされた媒体内の銅の記録された Ecorr 値は正であり、銅表面が正に帯電しました。これにより、SO42- イオンが銅の表面に吸着し、銅の表面がマイナスに帯電します。一方、酸性媒体では、極性OおよびN原子を含む検討したAASは、式1で参照されるようにプロトン化してカチオンを生成すると提案されています。 (10)、

そこで、プラスに帯電したAASをマイナスの銅表面に吸着させ、強固な吸着膜を形成させました（物理吸着）。 AAS の分子とそのカチオンは両方とも、陽極と陰極の位置に吸着され、対応して銅表面に存在すると考えられます。陽極の位置での吸着は、O 原子と N 原子を介して発生し、銅の腐食が遅れる可能性があります。陰極位置での吸着により、O2 の発生が制限されます 64,65。さらに、界面活性剤分子のヘテロ原子 (N & O) と銅表面の非占有 d 軌道の間で発生する可能性のある錯体形成 (沈殿物) は、吸着プロセス、ひいては金属腐食抑制に寄与します 66。したがって、銅の腐食抑制は、銅表面に固体吸着膜および/または形成された析出物の 2 つの保護層を構築することによって実現できます。銅表面上での AAS の吸着能力の違いから生じる、試験した AAS の % IE の値の変動は、化学構造の違いによるものと考えられます。界面活性剤 TS の最も高い % IE は、より高い吸着特性を備えた TS 構造内のインドール部分の存在によるものと考えられます。また、界面活性剤 HS が AS よりわずかに優先するのは、HS 中のジアゾール環の存在に起因する可能性があります。

微生物病原体の抗生物質耐性が驚くほど増加しているため、効果的で安定した高効率の新しい抗菌剤の開発が求められています。このシナリオでは、合成アミノ酸ベースの界面活性剤が、従来の抗菌剤や抗生物質のより良い代替品として人気を集めています28、29、32、34。この研究中にテストされたすべてのバイオサーファクタントは、最小致死濃度とクリアゾーン阻害を通じて、グラム陰性菌およびグラム陽性菌、皮膚糸状菌に対して広範囲の活性を示しました（表5および6、図11および12）。 HS 界面活性剤が最も高い抗菌能力を示し、次に TS と AS が続きました。試験された AAS に対するさまざまな食中毒病原菌の感受性は異なりました。 Shigella dysenteriae が最も感受性の高い種であることが判明し、続いて Bacillus cereus、E. coli、K. pneumoniae、S. aureus が続きました。 HS 界面活性剤は、MLC が非常に低いため、特に皮膚糸状菌や食品由来の病原性細菌に対して広範囲の活性を示しました。 HS 添加により、Shigella dysenteriae、Bacillus cereus、E. coli、K. pneumoniae、および S. aureus に対してそれぞれ直径 70、50、40、39、および 35 mm の阻害ゾーンが得られたのに対し、阻害ゾーンは 48、39、38、 TS 界面活性剤の添加後、直径 34 mm および 33 mm が、それぞれ赤赤毛菌、肺炎桿菌、大腸菌、黄色ブドウ球菌、およびセレウス菌に対して認められました。 AS 界面活性剤の添加により、赤ブドウ球菌、大腸菌、セレウス菌、肺炎桿菌、および黄色ブドウ球菌に対して、それぞれ直径 45、36、32、32、および 27 mm の阻害ゾーンが生成されました。 AAS の最小致死濃度は 16 ～ 128 μg/ml の範囲でした。試験したほとんどの病原体に対する HS の最低値 (16 μg/ml) が記録され、次に TS (64 μg/ml)、AS (128 μg/ml) が続きました。

食品由来の病原菌に対する従来の抗生物質と比較した界面活性剤の抗菌活性をクリアゾーン直径 (mm) で示します。

皮膚糸状菌酵母および真菌に対する従来の抗真菌剤と比較した界面活性剤の抗菌活性をクリアゾーン直径 (mm) で示します。

研究されたすべての AAS は、皮膚糸状菌酵母および真菌に対して強力な抗真菌活性も示しました。マンチグロファイト白癬菌が最も感受性の高い皮膚糸状菌であることが観察され、次いでルブル白癬菌、カンジダ・アルビカンス、カタネウム・トリコスポロン、およびクリプトコッカス・ネオフォルマンスが続いた。 HS が最も高い抗真菌活性を示し、次に TS、AS が続きました。 16 μg/ml の MLC を有する HS 界面活性剤は、マンチグロファイト白癬菌、ルブルム白癬菌、カンジダアルビカンス、カタネウムトリコスポロン、およびクリプトコッカスネオフォルマンスに対して、それぞれ直径 62、57、56、48、および 36 mm の阻害ゾーンをもたらしました。 AS 界面活性剤は、64 μg/ml の MLC を持ち、カンジダアルビカンス、赤カビ白癬、カタネウムトリコスポロン、クリプトコッカスネオフォルマンス、およびマンティグロフィテス白癬に対して、阻害ゾーン直径 45、43、40、36、および 35 mm の最も低い抗真菌能を示しました。それぞれ。興味深いことに、AAS の抗菌活性はさらに 10 日間インキュベートしても変化せず、透明ゾーンの直径も同じでした。さらに、これらの透明ゾーンからのループを備えた新鮮なブロス培地および寒天プレートの培養は増殖できませんでした。これらの発見は、阻害剤の効果ではなく、AAS の致死性を裏付けています。 AAS の広範囲の抗菌活性は、細胞膜の変化、代謝拮抗作用、タンパク質、細胞壁、核酸合成の阻害などの特異的な活性を示す従来の抗生物質と比較して、その非特異的なメカニズムを示唆しています。 AAS は、特定のプロセスや分子を標的とするのではなく、細胞膜と結合することが好ましいと報告されており、これにより、AAS が病原性細胞の疎水性脂質二重層に侵入しやすくなり、溶解、脱分極、死が引き起こされます。この現象は細菌耐性の回避に役立ちます25,34,35,67,68,69。カチオン性 AAS と微生物との相互作用は、主に 2 つの段階を通じて起こります。最初に、両親媒性物質は、正に帯電した界面活性剤の極性頭部と、それぞれグラム陽性菌とグラム陰性菌のリポテイコ酸やリポ多糖などの負に帯電した細菌膜分子との静電相互作用を通じて膜に付着します。次に、AAS カチオン性両親媒性物質の疎水性アルキル鎖が膜脂質二重層と相互作用してその構造を破壊し、細胞膜を通した細胞内物質の輸送を促進します。次のステップでは、界面活性剤の極性と疎水性により、脂質二重層の非極性環境での界面活性剤の拡散を助ける最適な関係が確立されます70、71、72。これが、カチオン性界面活性剤が抗菌作用を発揮する仕組みです。界面活性剤は一般に、グラム陽性菌を含む負に帯電した脂質に対してより効果的です。界面活性剤は、細胞膜内の負に帯電した密度が細菌よりも低いため、ほとんどの場合抗真菌特性を示しません70。 HS は、食品由来の病原性細菌 (赤癬菌、セレウス菌、大腸菌、肺炎桿菌、黄色ブドウ球菌) および真菌 (マンチグロファイト白癬菌、ルブルム白癬菌、カンジダアルビカンス菌、カタネウム白癬菌、クリプトコッカス属) に対して非常に高い広域抗菌力を示しました。ネオフォーマン）。 HS の MLC 範囲は 32 および 128 μg/ml と低かった。 Pinazo et al.34 はまた、疎水性部分と AAS のカチオン電荷との間の最適な関係を報告しており、これによりその抗菌 (酵母、菌類、細菌) 活性が説明されています。 HS 界面活性剤は、この研究で使用した標準抗生物質と比較して、皮膚糸状菌に対してより優れた広域抗菌活性を示しました (表 5 および 6)。 AAS の化学合成には、抗菌効果が非常に高い潜在力があるにもかかわらず、製造コストが高いなどの欠点もあり、大規模用途の妨げとなっています。

調査した AAS は、298 K の 1.0 M H2SO4 溶液中で効果的な銅腐食防止剤であることが判明しました。防止効率 (% IE) は、界面活性剤の濃度と構造、および腐食性媒体の濃度によって異なります。調査した界面活性剤の高い % IE は、ラングミュア吸着等温線と一致して、銅表面上の界面活性剤分子の潜在的な吸着に起因すると考えられます。銅の腐食の速度論とメカニズム、および AAS による銅の腐食阻害が調査され、議論されました。研究された界面活性剤は、わずかに陽極優先性を持つ混合種類の抑制剤のように挙動しました。採用されたすべての手法の結果は互いに一致しており、結果の妥当性が確認されました。 AAS は、病原性細菌および皮膚糸状菌に対して優れた表面活性、乳化特性、および顕著な広範囲の抗菌活性を示しました。これらの特徴により、食品、医薬品、パーソナルケア製品の用途に理想的な候補となります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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著者らは、助成金コード: 22UQU4180164DSR01 によってこの研究を支援してくださったウンム・アル・クラ大学科学研究部長に感謝したいと思います。

ウンム・アル・クラ大学応用科学部化学科、メッカ、21955、サウジアラビア

アーメド・ファウジー

アシュート大学理学部化学科、アシュート、71516、エジプト

アーメド・ファウジー

キング・ハーリド大学理学部化学科、アブハ、64734、サウジアラビア

アリージアルバヒル

バルガーン科学芸術大学化学科、ビシャ大学、ビシャ、61922、サウジアラビア

ナダ・アルカルニ

イマーム・モハマド・イブン・サウード・イスラム大学（IMSIU）理学部化学科、リヤド、11623、サウジアラビア

アラファト大統領の選挙

サウスバレー大学理学部化学科、ケナ、83523、エジプト

アラファト大統領の選挙

ファイユーム大学農学部酪農科学科、ファイユーム、63514、エジプト

マナル・ハイダー

ファイユーム大学農学部農業微生物学科、ファイユーム、63514、エジプト

イブラヒム・M・イブラヒム＆ハーレド・エルバンナ

サウジアラビア、メッカのウンム・アル・クラ大学応用科学部生物学科

フセイン・ハサン・アブルリーシュ & カレド・エルバンナ

サウジアラビア、メッカのウンム・アル・クーラ大学応用科学部研究室ユニット

フセイン・ハサン・アブルリーシュ & カレド・エルバンナ

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AF、KE、HHA 概念化、方法論設計、実験作業。 AF、MK、IM、KE による結果の解釈。 AAB、NA、AT は図と表を作成しました。 KEとHHAが原稿本文を書きました。著者全員が原稿を確認し、承認します。

フセイン・ハサン・アブルリーシュへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

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受信日: 2022 年 9 月 25 日

受理日: 2023 年 2 月 9 日

公開日: 2023 年 2 月 14 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29715-5

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